FR3120473A1 - Dispositif opto-électronique à semi-conducteurs - Google Patents

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Abstract

Dispositif opto-électronique à semi-conducteurs La présente invention concerne un dispositif opto-électonique à semi-conducteurs (10) comprenant une jonction PIN (12) formée d’un empilement de couches définissant une zone dopée N, une zone intrinsèque et une zone dopée P, au moins une couche de l’une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite couche modulée, étant formée de plusieurs empilements de sous-couches, chaque sous-couche différant des autres sous-couches du même empilement par une caractéristique du matériau de la sous-couche, dite caractéristique distinctive, les épaisseurs et les caractéristiques distinctives des sous-couches étant choisies de sorte à diminuer l’absorption de photons dans la zone dopée correspondante par rapport à un dispositif opto-électonique à semi-conducteurs, dit de référence, ayant pour seule différence que chaque couche modulée est remplacée par une couche non-modulée de même épaisseur que la couche modulée et avec des caractéristiques identiques à l’exception de la caractéristique distinctive. Figure pour l'abrégé : 1

Description

Dispositif opto-électronique à semi-conducteurs
La présente invention concerne un dispositif opto-électronique à semi-conducteurs, tel qu’un laser à semi-conducteurs.
Les lasers à semi-conducteurs de forte puissance sont utilisés dans de nombreuses applications telles que les télécommunications.
La puissance des lasers à semi-conducteurs n’a cessé d’augmenter depuis les années 90. Par le terme « puissance » dans ce contexte, il est entendu la puissance fiable du laser, c’est-à-dire la puissance qu’est capable de fournir le laser sur sa durée de fonctionnement (généralement 10-15 ans). Cette puissance fiable est, ainsi, généralement différente de la puissance maximale. Aujourd’hui, de tels lasers ont une puissance dépassant le Watt en monomode contre 150 mW dans les années 90.
Pour répondre au besoin des différentes applications, il est d’intérêt de développer des lasers à semi-conducteurs encore plus puissants.
L’augmentation de la puissance de tels lasers passe par la réduction des pertes internes dans la cavité du laser. En effet, le rendement du laser, défini comme la puissance par unité de courant injecté, est dépendant de deux paramètres, à savoir l’injection de porteurs dans la zone active, et les pertes internes. Le paramètre relatif aux porteurs injectés dans la zone active étant déjà optimisé, l’augmentation du rendement dépend de la capacité à réduire les pertes internes dans la cavité laser.
Tout l’enjeu consiste alors à diminuer les pertes internes pour conserver un rendement élevé et utiliser, ainsi, une cavité plus longue pour le laser. En effet, lorsque la cavité est plus longue, le laser fonctionne à une densité de courant plus faible puisque l’injection est distribuée sur la longueur de la cavité. La température de la zone active est aussi plus faible car une cavité plus grande permet de réduire la résistance thermique. En outre, le rendement de conversion du laser, c’est-à-dire le rapport entre la puissance optique générée et la puissance électrique injectée, est également amélioré.
La longueur des cavités lasers n’a, ainsi, cessé d’augmenter depuis les années 90 passant de 1,2 à 1,5 millimètres dans les années 90 pour atteindre 4 à 5 millimètres de nos jours.
Les pertes internes étant dépendantes du taux de dopage des couches semi-conductrices, une technique utilisée pour réduire ces pertes est de réduire le taux de dopage et de placer le champ optique autant que possible dans les zones présentant le moins d’absorption et donc le moins de pertes. Une telle technique est toutefois limitée car le taux de dopage des matériaux ne peut être réduit au-delà du taux de dopage résiduel des matériaux.
Un but de l’invention est de proposer une alternative pour continuer à réduire les pertes internes dans les dispositifs opto-électroniques à semi-conducteurs, tels que les lasers à semi-conducteurs, afin d’augmenter le rendement et la fiabilité de tels dispositifs.
A cet effet, la présente description a pour objet un dispositif opto-électonique à semi-conducteurs comprenant une jonction PIN propre à émettre ou absorber de la lumière, la jonction PIN étant formée d’un empilement de couches dans une direction d’empilement définissant une zone dopée N, une zone intrinsèque et une zone dopée P,
au moins une couche de l’une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite couche modulée, étant formée de plusieurs empilements de sous-couches, superposés les uns aux autres dans la direction d’empilement,
chaque empilement de sous-couches comprenant au moins deux sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur dans la direction d’empilement et étant réalisée en au moins un matériau, chaque sous-couche différant des autres sous-couches du même empilement par au moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-couche, dite caractéristique distinctive,
chaque empilement d’une couche modulée étant identique à l’empilement superposé précédent ou différant au plus de l’empilement superposé précédent par une variation bornée de la composition d’au moins un matériau de deux sous-couches correspondantes des deux empilements, les épaisseurs et les caractéristiques distinctives des sous-couches étant choisies de sorte à diminuer l’absorption de photons dans la zone dopée correspondante par rapport à un dispositif opto-électonique à semi-conducteurs, dit de référence, ayant pour seule différence que chaque couche modulée est remplacée par une couche non-modulée, la couche non-modulée ayant la même épaisseur que la couche modulée et ayant des caractéristiques identiques à l’exception de la au moins une caractéristique distinctive qui est uniforme ou varie graduellement sur l’épaisseur de la couche non-modulée.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend un cœur et une gaine, l’indice optique du cœur étant supérieur à l’indice optique de la gaine, la couche modulée étant une couche du cœur ou de la gaine de la zone dopée correspondante, avantageusement chacun du cœur et de la gaine de la zone dopée considérée comprenant une couche modulée ;
- la au moins une caractéristique distinctive est le taux de dopage du au moins un matériau de la sous-couche ;
- le taux de dopage de chaque sous-couche diffère du taux de dopage des autres sous-couches du même empilement d’au minimum un pourcent ;
- la moyenne du taux de dopage de la couche modulée est inférieure ou égale au taux de dopage de la couche non-modulée correspondante ;
- le taux de dopage de l’une des sous-couches de chaque empilement est le taux de dopage résiduel du au moins un matériau dans lequel est réalisée la sous-couche ;
- chaque sous-couche d’un empilement ayant un taux de dopage supérieur au taux de dopage d’une autre sous-couche de l’empilement a une épaisseur inférieure à l’épaisseur de ladite autre sous-couche ;
- la au moins une caractéristique distinctive est la composition du au moins un matériau de la sous-couche ;
- au moins un matériau de chaque sous-couche comprend des éléments chimiques appartenant aux colonnes III et V ou II et VI ou IV de la classification périodique ;
- l’épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- , une vue schématique en coupe d’un exemple de laser à semi-conducteurs selon un premier exemple de mise en œuvre,
- , une vue schématique en coupe d’un exemple de laser à semi-conducteurs selon un deuxième exemple de mise en œuvre, et
- , une vue schématique en coupe d’un exemple de laser à semi-conducteurs selon un troisième exemple de mise en œuvre.
Pour la suite de la description, il est défini une direction longitudinale. Il est également défini une direction d’empilement et une direction transversale. La direction d’empilement est une direction perpendiculaire à la direction longitudinale et contenue dans un plan transverse par rapport à la direction longitudinale. La direction d’empilement est perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière, dite longitudinale. La direction transversale est perpendiculaire à la direction longitudinale et à la direction d’empilement. Les directions longitudinale, d’empilement et transversale sont respectivement symbolisées par un axe Y, un axe Z et un axe X sur les figures 1 à 3.
Dans ce qui suit, il est considéré un laser à semi-conducteurs 10 comprenant une jonction PIN 12 propre à émettre ou absorber de la lumière. Le laser est de préférence un laser haute puissance, c’est-à-dire propre à émettre ou absorber un faisceau laser ayant une puissance supérieure à 500 milliwatts (mW). De préférence, la cavité du laser a une longueur supérieure à 3 millimètres (mm) et inférieure à 10 mm.
Un tel laser est, par exemple, propre à être utilisé dans le domaine des télécommunications, tel que dans un amplificateur à fibre dopée à l’erbium. A titre d’exemple, le laser est un laser de type GaAs (Arséniure de Gallium) émettant à 980 nm.
La jonction PIN 12 est formée d’un empilement de couches dans la direction d’empilement Z.
Chaque couche de l’empilement est une couche planaire, c’est-à-dire que la couche s’étend entre deux faces planes et parallèles.
Chaque couche présente également une épaisseur selon la direction d’empilement Z. L’épaisseur d’une couche est définie comme la distance entre les deux faces de la couche dans la direction d’empilement Z.
Les couches de l’empilement définissent une zone dopée N, une zone intrinsèque I et une zone dopée P. Par le terme « zone dopée N », il est entendu une zone dans laquelle des impuretés ont été introduites de sorte à produire un excès d’électrons. Par le terme « zone intrinsèque », il est entendu une zone dans laquelle aucune impureté n’a été volontairement introduite, cette zone intrinsèque étant la zone active de la jonction PIN 12. La zone intrinsèque I est une zone dans laquelle de la lumière est générée par recombinaison de paires électrons-trous. Par le terme « zone dopée P », il est entendu une zone dans laquelle des impuretés ont été introduites de sorte à produire un excès de trous.
Chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend un cœur et une gaine, l’indice optique du cœur étant supérieur à l’indice optique de la gaine, permettant la formation d’un guide d’ondes. Le cœur de chaque zone dopée et la gaine de chaque zone dopée correspond à une ou plusieurs couches distinctes de l’empilement.
Les figures 1 à 3 sont des exemples illustrant l’empilement de couches formant la jonction PIN 12. Dans ces exemples, les couches formant l’empilement sont superposées dans la direction d’empilement Z sur un substrat 14. Sur ces figures, la zone dopée N est notée ZN, la zone intrinsèque ZIet la zone dopée P ZP. Le cœur de la zone dopée N est noté CN, celui de la zone dopée P CP, la gaine de la zone dopée N est notée GNet celle de la zone dopée P GP.
Par exemple, lorsque le laser 10 est un laser de type GaAs, le substrat 14 est en GaAs.
Au moins une couche de l’une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite couche modulée, est formée de plusieurs empilements de sous-couches dans la direction d’empilement Z. En d’autres termes, au moins une couche modulée est une couche parmi les couches de la zone dopée N et de la zone dopée P.
Chaque empilement de sous-couches comprend au moins deux sous-couches superposées dans la direction d’empilement Z. Chaque empilement de sous-couches est assimilable à un motif répété autant de fois que le nombre d’empilements de sous-couches.
La couche modulée est une couche du cœur ou de la gaine de la zone dopée considérée. Avantageusement, la zone dopée considérée comprend au moins une couche modulée appartenant au cœur et une couche modulée appartenant à la gaine.
La illustre un exemple dans lequel seule la zone dopée N comprend des couches modulées, à savoir une couche modulée formant le cœur et une couche modulée formant la gaine de la zone dopée N. La illustre un exemple dans lequel seule la zone dopée P comprend une couche modulée, à savoir une couche modulée formant le cœur et une couche modulée formant la gaine de la zone dopée P. La illustre un exemple dans lequel chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend des couches modulées (une couche modulée pour chacun du cœur et de la gaine des zones dopées P et N).
Les empilements de sous-couches sont superposés les uns aux autres dans la direction d’empilement Z de sorte que l’épaisseur de l’ensemble des empilements de sous-couches (somme des épaisseurs des sous-couches formant l’empilement) est égale à l’épaisseur de la couche modulée.
De préférence, le nombre d’empilements de sous-couches formant une couche modulée est supérieur ou égal à 10. Ainsi, l’épaisseur totale de la couche modulée est typiquement comprise entre 10 nm et 10 µm, lorsque l’épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
Chaque sous-couche est une sous-couche planaire, c’est-à-dire que la sous-couche s’étend entre deux faces planes et parallèles.
Chaque sous-couche présente une épaisseur selon la direction d’empilement Z. L’épaisseur d’une sous-couche est définie comme la distance entre les deux faces de la sous-couche dans la direction d’empilement Z. L’épaisseur de chaque sous-couche est strictement inférieure à l’épaisseur de la couche modulée correspondante. De préférence l’épaisseur de chaque sous-couche est supérieure ou égale à 1 nanomètres (nm) et inférieure ou égale à 100 nm.
De préférence, l’épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
Chaque sous-couche est réalisée en au moins un matériau.
Avantageusement, le au moins un matériau de chaque sous-couche est constitué de plusieurs éléments chimiques. Un élément chimique est un élément du tableau de Mendeleïev. De préférence, les éléments appartiennent aux colonnes III et V ou II et VI ou IV de la classification périodique. Par exemple, le matériau est l’Arséniure d’aluminium-gallium (AlGaAs) ou le Phosphure d’Indium (InP) ou ses alliages InGaAsP ou InGaAlAs.
Dans un mode de réalisation, chaque sous-couche est réalisée en un seul matériau. En variante, au moins une sous-couche est réalisée en plusieurs matériaux, les matériaux étant constitués des mêmes éléments chimiques mais différant par la composition (proportion) en éléments chimiques.
Chaque sous-couche diffère des autres sous-couches du même empilement par au moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-couche, dite caractéristique distinctive.
De préférence, les caractéristiques distinctives sont au moins l’une du taux de dopage du matériau de chaque sous couche et de la composition du matériau de la sous-couche. Le taux de dopage est défini comme le nombre d’impuretés dopantes (donneuses ou accepteuses d’électrons) dans un centimètre cube du réseau cristallin. Le taux de dopage est volumique. La composition est définie comme étant la proportion des éléments chimiques constituant le matériau.
Autrement formulé, dans ce mode de réalisation, pour deux matériaux de deux sous-couches distinctes d’un même empilement, trois cas sont possibles :
- les deux matériaux présentent la même composition mais un taux de dopage différent,
- les deux matériaux présentent un même taux de dopage mais une composition différente, et
- les deux matériaux présentent un taux de dopage différent et une composition différente.
Dans un mode de mise en œuvre, les empilements formant une couche modulée sont identiques. Ainsi, chaque empilement d’une couche modulée est identique à l’empilement superposé précédent. L’empilement précédent est l’empilement sur lequel l’empilement considéré est superposé.
Dans une variante de mise en œuvre, au moins un empilement diffère des autres empilements.
Dans cette variante, de préférence, chaque empilement diffère au plus de l’empilement superposé précédent par une variation bornée de la composition du au moins un matériau de chaque sous-couche de l’empilement par rapport à la composition du au moins un matériau des sous-couches correspondantes de l’empilement superposé précédent (ie le ou au moins un matériau de deux sous-couches correspondantes de deux empilements ont des compositions différentes). En d’autres termes, d’un empilement à un autre, le nombre de sous-couches, l’épaisseur des sous-couches, les éléments chimiques des matériaux des sous-couches et les taux de dopage sont identiques. Cependant, la composition d’un matériau d’une sous-couche d’un empilement est augmentée ou diminuée (d’une valeur donnée comprise dans la variation bornée) par rapport à celle de la sous-couche correspondante de l’empilement précédent.
Par le terme « au plus », il est entendu que la variation de composition est la seule différence, et qu’elle peut être nulle auquel cas les empilements considérés sont identiques.
Par le terme « sous-couche correspondante », il est entendu la sous-couche de l’autre empilement ayant la même position dans l’autre empilement que la sous-couche de l’empilement considéré. On compare ainsi par exemple la sous-couche du premier empilement la plus proche de la base du premier empilement avec la sous-couche du deuxième empilement la plus proche de la base du deuxième empilement, et ainsi de suite pour les autres sous-couches.
Par le terme « variation bornée », il est entendu que les compositions des matériaux des deux sous-couches des deux empilements considérés, diffèrent l’une de l’autre d’un pourcentage compris dans une gamme de valeurs prédéterminées. Par exemple, la variation de composition est comprise entre 0 et 2 pourcents.
Dans cette variante, de préférence, la variation est graduelle sur l’épaisseur de la couche modulée, c’est-à-dire conduit à une augmentation ou à une diminution de la composition globale sur l’épaisseur de la couche modulée.
Par exemple, à titre d’illustration de cette variante, la couche modulée comprend trois empilement superposés formés chacun de deux sous-couches. La caractéristique distinctive est la composition des matériaux des sous-couches. Le premier empilement et le deuxième empilement sont identiques et comprennent :
  • une première sous-couche en Al0,28Ga0,72As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en Al0,32Ga0,68As de 20 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3.
Le troisième empilement comprend :
  • une première sous-couche en Al0,29Ga0,71As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en Al0,33Ga0,67As de 20 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3.
Le troisième empilement de cet exemple présente donc une variation (de 0,01) de la composition du matériau de ses sous-couches par rapport aux sous-couches correspondantes du premier et du deuxième empilement.
Les épaisseurs et les caractéristiques distinctives des sous-couches sont choisies de sorte à diminuer l’absorption de photons dans la zone dopée correspondante par rapport à un laser à semi-conducteurs, dit de référence. Une telle absorption de photons est un phénomène parasite due à l’absorption de photons issues de la zone active par les porteurs libres (trous ou électrons) d’une zone dopée. Ce phénomène est aussi appelé absorption par les porteurs libres (en anglais « Free-carrier absorption »).
Le laser de référence diffère seulement du laser considéré en ce que chaque couche modulée est remplacée par une couche non-modulée. La couche non-modulée a la même épaisseur que la couche modulée correspondante et a des caractéristiques identiques à l’exception de la caractéristique distinctive qui est uniforme (dans les limites des technologies utilisées) ou varie graduellement sur l’épaisseur de la couche non-modulée.
Par le terme « uniforme », il est entendu que la valeur de la caractéristique distinctive est la même sur l’épaisseur de la couche non-modulée. Ainsi, lorsqu’une caractéristique distinctive est le taux de dopage des matériaux des sous-couches, le taux de dopage du matériau de la couche non-modulée a la même valeur sur l’épaisseur de la couche non-modulée. Lorsqu’une caractéristique distinctive est la composition des matériaux des sous-couches, la composition du matériau de la couche non-modulée est la même sur l’épaisseur de la couche non-modulée.
Par le terme « variation graduelle », il est entendu que la valeur de la caractéristique distinctive est augmentée ou diminuée progressivement sur l’épaisseur de la couche non-modulée.
Dans un exemple, l’absorption de photons dans la zone dopée considérée est quantifiée en effectuant une régression des rendements externes de lasers de longueurs différente, en fonction de cette longueur de cavité même. Une telle régression est décrite par exemple dans le livre intitulé “Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits.” Chap. 2 (1995) de Coldren, L. et al.
De préférence, l’absorption de photons dans la zone considérée est réduite d’au moins 0,1 cm-1par rapport au laser de référence.
De préférence, la jonction PIN 12 a été obtenue exclusivement par épitaxie à partir du substrat 14. Il est entendu par le terme « épitaxie », une technique de croissance d’un cristal sur un autre cristal, chaque cristal comprenant un réseau cristallin ayant un certain nombre d’éléments de symétrie communs avec l’autre cristal. La technique d’épitaxie utilisée est, par exemple, choisie parmi : l’épitaxie par jets moléculaires, l’épitaxie en phase liquide et l’épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques.
Ainsi, la réalisation d’une couche modulée formée d’une alternance de sous-couches spécifiques se répétant, à la place d’une couche uniforme ou à variation graduelle, permet de modifier l’absorption de photons par les porteurs libres des zones dopées considérées, et ainsi de réduire les pertes internes.En d’autres termes, la structure de la couche modulée permet de modifier les propriétés électro-optiques de la bande de conduction lorsque la couche modulée appartient à la zone dopée N et dans la bande de valence lorsque la couche modulée appartient à la zone dopée P. Cette modification est l’un des facteurs contribuant à inhiber l’absorption de photons par les porteurs libres des zones dopées considérées.
Dans ce qui suit, il est donné des caractéristiques avantageuses de la structure de la couche modulée dans le cas où une caractéristique distinctive est le taux de dopage des matériaux des sous-couches. Dans ce cas, il est créé une structure de super-réseaux de dopage. Ces super-réseaux (SR) sont typiquement de type n-i-n-i pour les couches N ou de type p-i-p-i pour les couches P.
De préférence, le taux de dopage de chaque sous-couche diffère du taux de dopage des autres sous-couches du même empilement d’au minimum un pourcent.
De préférence, la moyenne du taux de dopage de la couche modulée (obtenue à partir du taux de dopage des sous-couches en tenant compte de leurs épaisseurs) est inférieure ou égale au taux de dopage de la couche non-modulée correspondante (du laser de référence). Ainsi, la structure avec des empilements répétés de sous-couches permet de réduire le taux de dopage moyen par rapport à une couche ayant le même taux de dopage sur son épaisseur.
De préférence, le taux de dopage de l’une des sous-couches de chaque empilement est le taux de dopage résiduel du matériau dans lequel est réalisée la sous-couche. Le taux de dopage résiduel est le taux de dopage obtenu alors même qu’aucune impureté n’a été introduite volontairement dans le matériau. Ainsi, dans le cas où chaque empilement comprend seulement deux sous-couches, la couche modulée est formée d’une alternance répétée sur l’épaisseur de la couche modulée, d’une sous-couche dopée et d’une sous-couche de dopage intrinsèque.
De préférence, chaque sous-couche d’un empilement ayant un taux de dopage supérieur au taux de dopage d’une autre sous-couche du même empilement a une épaisseur inférieure à l’épaisseur de ladite autre sous-couche.
Un exemple particulier résultant d’une mise en œuvre expérimentale est décrit dans ce qui suit.
Dans cet exemple, une structure laser GaAs à 980 nm a été réalisée selon deux variantes, à savoir :
- une structure laser standard formant le laser de référence. Cette structure a été réalisée sur le principe de celle décrite dans l’article intitulé "Reaching 1 watt reliable output power on single-mode 980 nm pump lasers" de M. Bettiati et al, Proc. SPIE 7198, High-Power Diode Laser Technology and Applications VII, 71981D (23 February 2009). Dans cette structure, la zone dopée N comprend :
  • une première couche non-modulée formant la gaine de 3 µm d’épaisseur avec un taux de dopage (atomes de Si) constant à 5.1016cm-3et une matrice en matériau AlGaAs, et
  • une deuxième couche non modulée formant le cœur d’épaisseur 900 nm avec un taux de dopage (atomes de Si) constant à 5.1016cm-3et une matrice en matériau AlGaAs.
- une structure laser équivalente à la différence que la première, respectivement la deuxième, couche non-modulée est remplacée par une première, respectivement une deuxième, couche modulée de même épaisseur et formée de plusieurs empilements identiques et superposés de sous-couches. Chaque empilement de sous-couches comprend deux sous-couches. La première sous-couche de chaque empilement a une épaisseur de 10 nm et un taux de dopage (atomes de Silicium Si) constant à 6.1016cm-3et la deuxième sous-couche de chaque empilement a une épaisseur de 20 nm et un taux de dopage (atomes de Si) constant à 2,5.1016cm-3(niveau résiduel de dopage dans le matériau). Ainsi, la première couche modulée (gaine) est formée de 100 empilements (3 µm d’épaisseur et 30 nm d’épaisseur par empilement) et la deuxième couche modulée (cœur) est formée de 30 empilements.
Cette approche permet donc de comparer une structure intégrant le principe de sous-couches alternées avec une périodicité en taux de dopage (aussi appelé digital doping) dans la zone dopée N, par rapport à une structure standard dont les performances sont connues. Dans cette approche, la comparaison a été faite sur un paramètre clé des lasers de puissance, nommé rendement et qui quantifie l’efficacité en émission laser du composant. Il est souvent indiqué comme SE (Slope Efficiency) et est mesuré en Watts par Ampère (W/A). L’expression technique de ce paramètre est définie, par exemple, dans le livre intitulé “Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits.” Chap. 2 (1995) de Coldren, L. et al, à savoir :
Où :
  • est le rendement quantique interne, défini comme la fraction de porteurs injectés dans la zone active,
  • h est la constante de Planck,
  • v la fréquence de l’émission laser,
  • e la charge de l’électron,
  • αiles pertes internes, et
  • αmles pertes miroir (αm= (1/L) ln (1/R) pour un laser avec facettes ayant la même réflectivité R ; L étant la longueur de cavité du laser).
L’expression SE fait clairement apparaître les pertes internes . Ainsi, il est clair que la diminution des pertes internes conduit à une augmentation du rendement SE.
Pour un laser avec une cavité de longueur 3,9 mm, le rendement SE obtenu, mesuré en conditions d’injection par impulsions courtes (<1µs), est de 0,460 W/A avec une structure standard, et est de 0,494 W/A avec une structure modifiée (sous-couches). Comme 0.494 / 0.460 = 1.074, l’augmentation du rendement du laser est d’environ 7 %. Cette augmentation du rendement SE montre ainsi que la structure en sous-couches permet de réduire les pertes internes. Il est toutefois à noter que cette première réalisation a été faite sur des lasers avec une cavité de longueur 3,9 mm. L’augmentation du rendement est attendue à des valeurs plus élevées pour des lasers de cavité plus longue, raisonnablement jusqu’à des longueurs maximales de 8 à 10 mm. Pour ces cavités, il est estimé que l’augmentation de rendement pourrait atteindre 10 à 11 %. Pour des lasers de grande surface (largeur de zone active de 100 µm), de longueur de cavité de 10,2 mm, comme exemple, un gain de 10 à 11% a été constaté, car le SE est passé de 0.36 à 0.40 W/A.
Il est à noter qu’en modifiant également les couches de la zone dopée P, il est possible de diminuer encore plus les pertes internes et donc d’augmenter encore plus le rendement du laser.
Dans un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
  • une première sous-couche en AlGaAs de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 6.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en AlGaAs de 25 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
  • une première sous-couche en InP de 15 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 6.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en InP de 30 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 3.1016cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
  • une première sous-couche en Al0, 28Ga0,7 2As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en Al0, 32Ga0, 68As de 20 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 5.1016cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
  • une première sous-couche en Al0, 28Ga0,7 2As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 6.1016cm-3, et
  • une deuxième sous-couche en Al0, 32Ga0, 68As de 20 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 2,5.1016cm-3.
Dans encore un autre exemple, la couche modulée comprend des empilements identiques de sous-couches suivantes comprenant chacun :
  • une première sous-couche en Al0, 28Ga0,7 2As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 6.1016cm-3,
  • une deuxième sous-couche en Al0, 32Ga0, 68As de 20 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 2,5.1016cm-3, et
  • une troisième sous-couche en Al0, 3Ga0, 7As de 10 nm d’épaisseur ayant un taux de dopage (atomes de Si) de 4.1016cm-3
Ainsi, la structure laser décrite permet, par une alternance répétée périodiquement de sous-couches ayant des caractéristiques différentes (taux de dopage et/ou composition), de réduire les pertes internes dues à l’absorption de photons par les porteurs libres des zones dopées de la jonction PIN. Cela permet, ainsi, d’augmenter le rendement et la fiabilité du laser. Par ailleurs, une réduction significative des pertes internes peut permettre d’augmenter, en plus du rendement purement optique du laser, le rendement de conversion totale du composant, exprimé comme le rapport de la puissance optique totale émise par le laser Poptnormalisée à la puissance électrique totale injectée dans le laser et qui est égale au produit IxV (produit du courant injecté dans le laser et de la tension nécessaire à l’injecter).
L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation précédemment décrits peuvent être combinés pour former de nouveaux modes de réalisation pourvu qu’ils soient compatibles techniquement et que l’invention ci-décrite n’est pas limitée aux réalisations spécifiquement décrites et que tout autre réalisation équivalente doit être assimilée à la présente invention. En particulier, bien que l’invention a été décrite dans le cas d’un laser à semi-conducteur, elle s’applique à tous dispositifs opto-électroniques à semi-conducteurs, notamment à des photo-détecteurs ou à des cellules photovoltaïques. Il convient dans ce cas de remplacer dans la description le terme laser par le terme dispositif opto-électronique à semi-conducteurs.

Claims (10)

  1. Dispositif opto-électonique à semi-conducteurs (10) comprenant une jonction PIN (12) propre à émettre ou absorber de la lumière, la jonction PIN (12) étant formée d’un empilement de couches dans une direction d’empilement (Z) définissant une zone dopée N, une zone intrinsèque (I) et une zone dopée P,
    au moins une couche de l’une de la zone dopée N et de la zone dopée P, dite couche modulée, étant formée de plusieurs empilements de sous-couches, superposés les uns aux autres dans la direction d’empilement (Z),
    chaque empilement de sous-couches comprenant au moins deux sous-couches, chaque sous-couche ayant une épaisseur dans la direction d’empilement (Z) et étant réalisée en au moins un matériau, chaque sous-couche différant des autres sous-couches du même empilement par au moins une caractéristique du au moins un matériau de la sous-couche, dite caractéristique distinctive,
    chaque empilement d’une couche modulée étant identique à l’empilement superposé précédent ou différant au plus de l’empilement superposé précédent par une variation bornée de la composition d’au moins un matériau de deux sous-couches correspondantes des deux empilements, les épaisseurs et les caractéristiques distinctives des sous-couches étant choisies de sorte à diminuer l’absorption de photons dans la zone dopée correspondante par rapport à un dispositif opto-électonique à semi-conducteurs, dit de référence, ayant pour seule différence que chaque couche modulée est remplacée par une couche non-modulée, la couche non-modulée ayant la même épaisseur que la couche modulée et ayant des caractéristiques identiques à l’exception de la au moins une caractéristique distinctive qui est uniforme ou varie graduellement sur l’épaisseur de la couche non-modulée.
  2. Dispositif (10) selon la revendication 1, dans lequel chacune de la zone dopée N et de la zone dopée P comprend un cœur et une gaine, l’indice optique du cœur étant supérieur à l’indice optique de la gaine, la couche modulée étant une couche du cœur ou de la gaine de la zone dopée correspondante, avantageusement chacun du cœur et de la gaine de la zone dopée considérée comprenant une couche modulée.
  3. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la au moins une caractéristique distinctive est le taux de dopage du au moins un matériau de la sous-couche.
  4. Dispositif (10) selon la revendication 3, dans lequel le taux de dopage de chaque sous-couche diffère du taux de dopage des autres sous-couches du même empilement d’au minimum un pourcent.
  5. Dispositif (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la moyenne du taux de dopage de la couche modulée est inférieure ou égale au taux de dopage de la couche non-modulée correspondante.
  6. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le taux de dopage de l’une des sous-couches de chaque empilement est le taux de dopage résiduel du au moins un matériau dans lequel est réalisée la sous-couche.
  7. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel chaque sous-couche d’un empilement ayant un taux de dopage supérieur au taux de dopage d’une autre sous-couche de l’empilement a une épaisseur inférieure à l’épaisseur de ladite autre sous-couche.
  8. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la au moins une caractéristique distinctive est la composition du au moins un matériau de la sous-couche.
  9. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le au moins un matériau de chaque sous-couche comprend des éléments chimiques appartenant aux colonnes III et V ou II et VI ou IV de la classification périodique.
  10. Dispositif (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’épaisseur de chaque empilement de sous-couches est comprise entre 1 nanomètres et 100 nanomètres.
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